Name: 一种摩擦试验-用于研究滑膜关节生物力学、机械生物学和物理调节的生物反应器装置 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-06-02T13:50:00.000+00:00
Duration: 9 min 48 s
Description: 了解用于滑膜关节生物力学研究的摩擦试验装置，该模块化生物反应器可对活体软骨和滑膜组织施加往复滑动与压缩载荷，评估摩擦相互作用及机械生物学响应，为关节健康维护提供新策略。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本工作由骨科科学研究基金会、美国国立卫生研究院（NIH）5R01 AR068133、NIH TERC 5P41EB027062 和 NIGMS R01 692 GM083925（资助者编号：10.13039/100000057）资助。

本研究使用从当地屠宰场获取的幼牛膝关节。使用此类牛样本的研究免于接受哥伦比亚大学动物护理与使用委员会（IACUC）的审查。
1. 设计摩擦测试装置
注意：摩擦测试装置的示意图如图1所示。该装置安装在一个刚性底板（未显示）上，该底板用作结构支撑的平台。
<ol>
	<li>将步进电机连接到水平平移台（参见 材料表），构建一个双轴摩擦测试装置，可为接触表面提供往复平移运动。</li>
	<li>将多轴力传感器安装在平移台上（参见 材料表）。安装的载荷传感器将用于测量 z 方向的法向载荷（Fn），以及x方向的切向载荷（Ft).</li>
	<li>为翻译平台配备线性编码器（参见 材料表）以记录水平位移（ux载物台的行程。此外，为加载载物台配备线性编码器（参见 材料表）以记录垂直位移（uz压板的） 
	注意：平移阶段编码器记录接触表面之间的相对切向位移，该信息用于检测往复滑动每个新周期的起始点。</li>
	<li>将加载压头（上接触面）配置为玻璃、软骨或滑膜对磨面。将压头连接至加载平台 通过 带螺纹的支撑杆</li>
	<li>将一个两部分的磁性底座连接到负荷传感器的顶部（参见 材料表）：(1) 一个固定底座，永久连接到负荷传感器；(2) 一个可拆卸底座，通过磁性连接至固定底座。确保两部分之间形成紧密连接。 
	注意：可拆卸底座将用于固定移动的对磨面（底部接触表面）。</li>
	<li>施加一个正常的载荷。使用安装在加载压板和支撑杆上方线性轴承上的重物块作为死重。或者，使用音圈驱动器来设定载荷（参见 材料表），可动态加载底部接触表面41.</li>
	<li>将设备置于铝框亚克力外壳内（参见 材料表以保护其环境免受污染。 
	&#8203;注意：一个定制的LabVIEW程序控制该设备（参见 补充编码文件) 并可由用户控制每次测试的持续时间，以及载物台移动路径、加速度（方向变化）和速度。测试过程中通过数据采集硬件和软件实时监测法向力、切向力、载物台位移和蠕变位移（参见 材料表).</li>
</ol>
2. 样品制备与安装
<ol>
	<li>按照以下步骤准备无菌组织采集。 
	注意：如果不需要无菌采集，可直接进入步骤 2.2。
	<ol>
		<li>将金属工具在高压灭菌器中灭菌。用 70% 乙醇喷洒关节固定装置，并将其放入生物安全柜（BSC）中。关闭柜门，运行一个紫外线（UV）消毒周期。</li>
		<li>从高压灭菌器中取出工具。将工具、聚维酮碘（betadine）、无菌手术刀片以及盛有 70% 乙醇的烧杯放入生物安全柜（BSC）中。</li>
		<li>在生物安全柜（BSC）内打开工具包，将工具放入盛有 70% 乙醇的烧杯中。将手术刀片安装到手术刀柄上。</li>
		<li>准备用于采集的关节。用 70% 乙醇喷洒关节外表面，并用铝箔包裹 30 分钟。注意不要破坏关节囊。 
		注意：幼龄牛膝关节在接收时，股骨和胫骨已在关节上下约 15 cm 处被切断，以确保关节囊完整。</li>
		<li>30 分钟后，将包裹的关节放入生物安全柜（BSC）中。打开铝箔，将关节固定在支架上。用棉签蘸取聚维酮碘（betadine）轻轻擦拭关节表面，使其覆盖整个关节。 
		注意：有关滑膜特异性操作说明，请参见步骤 2.2；有关软骨特异性操作说明，请参见步骤 2.3。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按照以下步骤采集幼龄牛滑膜组织。
	<ol>
		<li>使用铁架台（见材料表）固定胫股关节囊，使关节前侧朝向解剖者。使用镊子和手术刀片，在胫骨上方约 5–10 cm 处（根据关节大小而定）做一水平切口，切断髌腱（图 2A）。</li>
		<li>用镊子夹住已分离的髌腱，做两个从前向后的 V 形切口（图 2B、C），以完全游离髌骨。 
		注意：当关节开始打开时，注意不要切断前交叉韧带（ACL）、后交叉韧带（PCL）、内侧副韧带（MCL）、外侧副韧带（LCL）以及半月板。</li>
		<li>将髌骨向后旋转或完全从关节中移除。小心去除关节内侧和外侧滑膜表面的浅层组织，以暴露滑膜。</li>
		<li>使用手术刀片沿目标滑膜区域边缘划线。用镊子夹住滑膜一端，轻轻提起并拉伸滑膜，使其与下方骨组织分离。使用手术刀片将滑膜从骨面剥离（图 2D、E）。</li>
		<li>将组织置于适当的培养基或测试浴液中。滑膜外植体可用于所需实验的培养，或安装后用于测试。 
		注意：培养基/测试浴液的配方可能因研究团队而异。本研究所使用的定制溶液，请参见材料表。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>采集幼龄牛软骨组织（股骨柱状样本和胫骨条状样本）。
	<ol>
		<li>切断前交叉韧带（ACL）、后交叉韧带（PCL）、内侧副韧带（MCL）和外侧副韧带（LCL），将股骨与胫骨分离。注意不要切到股骨髁软骨，也不要切穿半月板至胫骨平台。将分离后的组织分别固定于各自的支架中，准备解剖（股骨操作见步骤 2.3.2，胫骨操作见步骤 2.3.3）。</li>
		<li>使用铁架台固定股骨。选择合适形状和尺寸的活检打孔器，垂直于股骨髁关节软骨表面压入，直至到达骨组织（图 3A）。
		<ol>
			<li>通过左右和前后移动打孔器，松动柱状软骨与骨组织的连接，但不要取出打孔器。 
			注意：骨组织与软骨分离时可能会听到噼啪声。</li>
			<li>取出打孔器，从而取出软骨柱（图 3B）。如有必要，可在髁部其他未处理区域重复步骤 2.3.2、2.3.2.1 和 2.3.2.2。 
			注意：为便于将股骨柱安装至测试底座，可能需要将其深面修平。可使用美工刀或手术刀完成此操作。</li>
			<li>将组织置于适当的培养基或测试浴液中。股骨柱可用于所需实验的培养，或安装后用于测试。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将胫骨固定于可调节支架中（见材料表）。小心移除半月板，避免接触软骨表面（图 4A）。
		<ol>
			<li>在胫骨平台外缘，使用美工刀垂直于软骨表面向骨组织方向切割。完全切透软骨，形成整齐的边缘（图 4B）。切口起点距胫骨平台边缘约 2 mm，去除多余组织。在软骨内侧边缘做划痕标记（图 4C）。 
			注意：此时应在胫骨平台外缘的软骨下方可见骨组织。</li>
			<li>在外缘处，使用美工刀在骨与软骨交界处做一干净切口（图 4D）。 
			注意：切口必须平行于软骨表面，向内约 5 mm，深度足以开始分离软骨与骨组织。</li>
			<li>为从平台表面取下胫骨条，将平头螺丝刀轻轻插入步骤 2.3.3.2 所做的切口下方。轻轻旋转螺丝刀，使关节软骨与软骨下骨松动（图 4E）。 
			注意：骨组织与软骨分离时可能会听到噼啪声。</li>
			<li>当样本逐渐松动时，缓慢向前推动螺丝刀，直至软骨条完全脱离骨组织。推动方向应朝向骨组织，而非软骨。在多个位置重复此操作，直至胫骨平台关节软骨完全从下方骨组织上分离（图 4F）。</li>
			<li>使用美工刀切割胫骨平台表面，制备成所需尺寸和厚度的矩形样本。 
			注意：本研究中制备了 10 mm × 30 mm 的条状样本，但具体尺寸可根据实验需求和测试装置进行调整。</li>
			<li>将组织置于适当的培养基或测试浴液中。胫骨条可用于所需实验的培养，或安装后用于测试。</li>
			<li>如有必要，在第二个胫骨平台上重复步骤 2.3.3.1 至 2.3.3.6。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按照以下步骤安装滑膜和软骨组织。
	<ol>
		<li>如需测试，可选择一条胫骨条样本。 
		注意：该条状样本可作为下摩擦面对进行测试。
		<ol>
			<li>取下可拆卸磁性底座（见材料表），并将一个直径为 60 mm 的培养皿粘附在可拆卸底座的上表面。</li>
			<li>待培养皿粘牢后，将可拆卸底座安装至固定底座上，并在培养皿上标记滑动方向。</li>
			<li>在培养皿中心涂抹少量氰基丙烯酸酯胶（见材料表）。将胫骨条与载物台的滑动方向对齐（依据步骤 2.4.1.2 在培养皿上的标记），轻轻将软骨条压在培养皿上。注意不要划伤软骨表面。 
			注意：可使用吸力工具（见材料表）对软骨施加轻柔压力，避免损伤待测摩擦表面。</li>
			<li>将带有软骨条的可拆卸磁性底座重新安装至摩擦测试仪中的配对磁性固定底座上。向培养皿中加入所需测试浴液，确保液体完全覆盖软骨。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>如需测试，可选择一个股骨软骨柱。 
		注意：该软骨柱可作为上或下摩擦面对进行测试。
		<ol>
			<li>若将股骨髁作为下摩擦面对，取下可拆卸磁性底座，并将一个直径为 60 mm 的培养皿粘附在可拆卸底座的上表面。
			<ol>
				<li>在培养皿中心涂抹少量氰基丙烯酸酯胶。将软骨柱轻轻压在培养皿上。 
				注意：可使用吸力工具对软骨施加轻柔压力，避免损伤待测摩擦表面。</li>
				<li>将带有软骨柱的可拆卸磁性底座重新安装至摩擦测试仪中的配对磁性固定底座上。向培养皿中加入所需测试浴液，确保液体完全覆盖软骨。</li>
			</ol>
			</li>
			<li>若将股骨软骨作为上摩擦面对，从摩擦测试仪上取下加载压板和支撑杆。如有需要，更换现有压板，选择适合软骨安装的新型压板。
			<ol>
				<li>在压板表面涂抹少量氰基丙烯酸酯胶。将软骨柱轻轻压在压板上。 
				注意：可使用吸力工具对软骨施加轻柔压力，避免损伤待测摩擦表面。</li>
				<li>将带有软骨柱的加载压板和支撑杆重新安装至摩擦测试仪上。调节加载压板的垂直高度，使软骨柱悬于下摩擦面对上方，并浸没于测试浴液中。如需，可补充更多测试浴液。</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
		<li>如需测试，可选择滑膜样本。 
		注意：滑膜可作为上或下摩擦面对进行测试。
		<ol>
			<li>若将滑膜作为下摩擦面对，取下可拆卸磁性底座，并将一个直径为 60 mm 的培养皿粘附在可拆卸底座的上表面。
			<ol>
				<li>在培养皿中心粘附一个按所需直径定制加工的圆形丙烯酸-硅胶柱。</li>
				<li>使用镊子将滑膜放置在柱体上方。为固定滑膜，将一个 O 形圈（见材料表）套在其周围。</li>
				<li>使用镊子轻轻牵拉滑膜，使其在 O 形圈下方绷紧并展平。用手术剪修剪多余组织。</li>
				<li>将带有滑膜的可拆卸磁性底座重新安装至摩擦测试仪中的配对磁性固定底座上。向培养皿中加入所需测试浴液，确保液体完全覆盖滑膜。</li>
			</ol>
			</li>
			<li>若将滑膜作为上摩擦面对，从摩擦测试仪上取下加载压板和支撑杆。如有需要，更换现有压板，选择适合滑膜安装的圆形压板。
			<ol>
				<li>使用镊子将滑膜放置在圆形压板上。为固定滑膜，将一个 O 形圈套在其周围。</li>
				<li>使用镊子轻轻牵拉滑膜，使其在 O 形圈下方绷紧并展平。用手术剪修剪多余组织。</li>
				<li>将带有滑膜的加载压板和支撑杆重新安装至摩擦测试仪上。调节加载压板的垂直高度，使滑膜悬于下摩擦面对上方，并浸没于测试浴液中。如需，可补充更多测试浴液。</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 摩擦测试
注意：这些测试使用自定义的 LabVIEW 程序及相关硬件（参见补充编码文件）。请注意，该自定义代码基于 LabVIEW 2010 构建，并一直维护在此旧版本上。因此，该代码可能无法与最新版本的软件向前兼容。以下按钮操作和用户界面参考仅适用于该自定义代码。如果使用不同的软件版本，可通过修改代码编写类似的自定义程序。
<ol>
	<li>将已安装的样品（步骤 2.4）插入摩擦测试仪装置中。 
	注意：样本需浸没于测试浴液中，但彼此之间不得接触。</li>
	<li>打开软件程序并设定测试参数：载物台速度、载物台加速度、移动路径（距离）和测试持续时间&#160;(图5).
	<ol>
		<li>在程序中打开三个窗口： 模拟数据构建 MFDAQ, 初始化加载 PID，以及 触发动态调用者.</li>
		<li>运行 模拟数据构建 MFDAQ&#160;通过按下窗口 运行 （白色箭头）按钮。</li>
		<li>运行 初始化负载 PID&#160;通过按压窗口 运行 （白色箭头）按钮。</li>
		<li>导航至 步进器 选项卡中的 触发动态调用器&#160;窗口。在用户输入框中指定平移台的加速度、速度和距离。 
		注意：距离值用于设定磨痕的半长度。换句话说，载物台将从指定的零位置（步骤 3.5）开始，在正负 x 方向上均移动至设定的距离值。</li>
		<li>在 步进器&#160;标签页中，通过选择来指定测试持续时间 步进时间索引 文件路径。单击 打开文件夹 右下角的按钮 时间状态&#160;表格并选择文件。</li>
		<li>同时注明测试持续时间 音圈&#160;表。导航至 音圈&#160;选项卡中的 触发动态调用者&#160;窗口。与步骤 3.2.5 类似，选择 音圈索引 通过点击文件路径 打开文件夹 右下角的按钮 时间状态&#160;表格并选择文件。持续时间必须与该文件的持续时间相匹配 步进器 表.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设定正常载荷。若使用砝码加载，请将所需重量的砝码放置在加载压板上方的线性轴承上。确保施加的载荷加上加载压板和支持杆的重量不超过载荷传感器的额定容量。</li>
	<li>使用右侧的打开文件夹按钮选择数据存储的路径和文件名 写入文件？&#160;盒。将文件保存为 &#34;.txt&#34; 延伸</li>
	<li>将底部对置面置于顶部对置面正下方，设为x方向零位置。
	<ol>
		<li>运行 触发动态调用器&#160;通过按压窗口 运行 （白色箭头）按钮。在 步进器&#160;标签，单击 首页 按钮，用于将载物台移至上次保存的零位 x 坐标位置。</li>
		<li>如果对界面未对齐，请通过点击移动载物台 绿色左侧 和 右箭头 按钮。到达目标位置后，单击 零 按钮，将当前位置保存为新的零点 x 坐标。停止 触发动态调用器&#160;通过点击窗口 停止 按钮。 
		注意：仅当显微镜载物台处于特定位置时，方可保存该位置 触发动态调用器&#160;窗口正在运行，但载物台尚未按程序设定移动。按下 运行 （白色箭头）按钮在步骤 3.5.1 中将启动 15 秒倒计时，随后载物台开始移动。请利用这 15 秒的时间移动载物台，并保存所需的零位位置。</li>
		<li>如果首次尝试未获得期望的零位x位置，则重复步骤3.5.1。 
		注意：在用户将底部对磨面移至顶部对磨面下方的过程中，可间歇性按下归零按钮，以保存载物台位置。请记住，点击回零按钮将使载物台移动至上次通过归零按钮保存的位置。 零 按钮</li>
	</ol>
	</li>
	<li>当上下对磨面居中后，通过启动载物台的往复运动，开始对样品进行摩擦测试。为此，运行 触发动态调用者&#160;通过按下窗口 运行 （白色箭头）按钮。</li>
	<li>一旦载物台移动，缓慢地将上部对磨面与下部接触。 
	注意：可通过查看来确认所施加的载荷值 Fz 软件窗口中的实时图表（图 5A).</li>
	<li>让测试持续进行，收集摩擦测试数据。 
	注意：步骤 3.5 期间记录的任何数据都将被覆盖。实时滞后现象可在 触发动态调用者&#160;窗口图5C).</li>
	<li>在完成所需的测试时间后，通过按下按钮来停止测试 停止 按钮并升起上对磨面，使其脱离与下对磨面的接触，从而卸载试样。</li>
</ol>
4. 数据处理
注意：数据处理使用自定义的 MATLAB 程序（参见补充编码文件）。该代码调用由自定义 LabVIEW 代码指定的输出文件。
<ol>
	<li>使用自定义代码计算每个循环的摩擦系数和蠕变位移（随时间变化的组织变形）。
	<ol>
		<li>确保所有相关代码均保存在同一文件夹中：&#34;frictioncycle_fun.m&#34;、&#34;frictioncycle_Hysteresis_plot.m&#34;、&#34;frictioncycle_MU_plot.m&#34; 和 &#34;frictioncycle_run.m&#34;。 
		注意：这些 MATLAB 代码是为使用前述 LabVIEW 代码的特定输出而编写的。如果用户自行编写了代码或对本文所述代码进行了修改，则可能需要相应地编辑 MATLAB 脚本以适配这些更改。</li>
		<li>打开 frictioncycle_run.m 文件，点击脚本中的 运行 （绿色箭头）按钮，选择要分析的原始数据文件以及&#160;期望的 MATLAB 输出保存位置。 
		注意：软件处理数据所需时间可能为数分钟，具体取决于测试持续时间。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>如需要，可对已测试的组织外植体及测试浴液的等分试样进行常规组织学评估和培养基分析。</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

关节内存在动态的力学环境，软骨会受到压缩力、张力和剪切力，以及流体静压力和渗透压的作用44,45。尽管软骨是关节主要的承重组织，滑膜也会在组织折叠区域与软骨表面以及自身发生摩擦相互作用。软骨与滑膜之间的物理相互作用可能促进了细胞的转移，并将间充质干细胞释放到关节环境中，从而为关节软骨有限的修复机制提供潜在的细胞来源37,38,39,40。软骨和滑膜的摩擦特性通过组织磨损对关节的维持与退变具有重要意义13。本文介绍了一种能够提供往复平移运动和压缩载荷的装置，用于研究维持关节稳态及疾病进展过程中的力学与力生物学机制。
测试参数的选择和试样安装是该实验方案中的两个关键步骤...

骨关节炎（OA）是一种致残性的退行性关节疾病，影响超过3200万美国成年人，其医疗和经济社会成本超过165亿美元1。该疾病传统上以关节软骨和软骨下骨的降解为特征；然而，近年来人们逐渐认识到滑膜的变化也具有重要意义，因为滑膜炎已被证实与OA的症状和疾病进展相关2,3,4。在原发性（特发性）OA中，与衰老相关的正常“磨损”会削弱软骨维持其承重和润滑功能的能力。研究表明，关节软骨层之间长时间的滑动接触，或软骨与植入材料之间的滑动接触所产生的应力，可通过次表面疲劳破坏促进分层磨损5,6。由于关节内部存在动态的力学环境7,8，关节软骨与滑膜之间的摩擦相互作用可能通过组织层面的磨损和细胞力学转导影响关节稳态。为了研究这些力学和力生物学过程，已设计出一种装置，可精确控制压缩载荷和摩擦载荷，以模拟关节的运动5,6,9,10,11,12,13。
本实验方案描述了一种摩擦测试装置，该装置可对活体组织外植体的接触表面施加往复的平移运动和压缩载荷。该装置由计算机控制，用户可调节每次测试的持续时间、施加的载荷、平移平台的运动范围以及平移速度。装置采用模块化设计，可用于测试多种对磨面，例如组织-组织（软骨-软骨和滑膜-软骨）以及组织-玻璃。除了测试仪获取的功能性测量数据外，还可于测试前后对组织及润滑浴液成分进行分析，以评估特定实验方案所引起的生物学变化。
几十年来，人们已开展了大量关于软骨摩擦学的研究，并开发出多种技术用于测量软骨与玻璃之间以及软骨与软骨之间的摩擦系数14,15。不同的研究方法取决于所关注的关节类型和/或润滑机制。在实验变量的可控性与生理参数的还原性之间，通常需要进行权衡。摆式装置利用完整的关节作为简单摆的支点，使一个关节面在另一个关节面上自由滑动14,16,17,18。除了使用完整关节外，还可通过将软骨组织块在目标表面上滑动来获取摩擦测量数据14,19,20,21,22,23,24,25。报道的关节软骨摩擦系数变化范围较大（从0.002到0.5），具体数值取决于实验条件14,26。已有研究人员设计出可模拟旋转运动的装置23,27,28。Gleghorn 等人26开发了一种多孔定制摩擦仪，通过斯特里贝克曲线分析来观察软骨的润滑特性，并在软骨与平面玻璃对磨面之间施加线性往复滑动运动。
该装置旨在分离摩擦响应，并在不同载荷条件下探索活体组织的力学生物学特性。该装置采用简化的测试设置，通过压缩滑动模拟关节运动，从而近似模拟滚动和滑动运动，其中纯滚动运动的阻力相对于关节软骨测得的摩擦系数可忽略不计29。该测试仪最初用于研究间质液压力化对关节软骨摩擦响应的影响9，此后已被用于探索多种课题，包括去除软骨表层对摩擦的影响10、滑液的润滑作用11、软骨磨损假说5,6,30，以及滑膜与组织间的摩擦测量13。该摩擦测试生物反应器可在无菌条件下进行摩擦实验，为研究摩擦力如何影响活体软骨和滑膜的力学生物学响应提供了新颖的机制。该设计可用作仿生生物反应器，研究在与双轴关节运动相关的生理载荷作用下，活体关节组织的物理调控机制。
本研究提出了一种在不同接触应力和润滑液环境下进行滑膜-软骨摩擦测试的实验装置。大多数关节的关节面在很大程度上由滑膜组织构成31。尽管滑膜与软骨之间的滑动并不发生在主要的承重表面，但两者之间的摩擦相互作用可能对组织层面的修复及细胞力学转导具有重要意义。已有研究表明，位于滑膜内层的成纤维样滑膜细胞（FLS）具有力学敏感性，能够响应流体诱导的剪切应力32。此外，研究还证实拉伸应力33,34和流体诱导的剪切应力35可调节FLS润滑物质的产生。因此，滑膜与软骨之间的直接滑动接触可能为滑膜内定居细胞提供另一种力学刺激。
关于滑膜摩擦系数的研究报道极少31,36。Estell 等人13试图通过使用具有生物学相关性的对磨面来拓展此前的表征研究。由于摩擦测试装置能够测试活体组织，因此有可能模拟关节活动过程中生理性的组织相互作用，从而阐明接触剪切应力对滑膜细胞功能的影响，以及其在滑膜与软骨之间串扰中的作用。后者已被认为参与介导关节炎及损伤后滑膜关节的炎症反应。由于软骨与滑膜及含有具有多向分化潜能（包括软骨生成能力）滑膜细胞的滑膜液在解剖位置上十分接近，因此推测滑膜细胞可能通过植入关节表面而在软骨稳态维持与修复中发挥作用。在此背景下，软骨-滑膜及滑膜-滑膜之间的物理接触和相互剪切可能增加滑膜细胞到达软骨损伤区域的可及性37,38,39,40。采用滑膜-软骨构型的研究不仅有助于深入理解关节整体组织的力学性能与摩擦学特性，还可能为维持关节健康提供新的策略。

<table><tbody><tr><td>铝箔</td><td>雷诺集团控股公司</td><td>Reynolds Wrap</td><td>无菌组织采集</td></tr><tr><td>铝框亚克力外壳</td><td>定制</td><td></td><td>摩擦测试仪组件</td></tr><tr><td>可高压灭菌的一次性密封灭菌袋</td><td>Fisherbrand</td><td>01-812-54</td><td>工具的灭菌</td></tr><tr><td>高压灭菌</td><td>Buxton</td><td></td><td>工具的灭菌</td></tr><tr><td>烧杯（250 mL）</td><td>Pyrex Vista</td><td>70000</td><td>组织采集</td></tr><tr><td>聚维酮碘消毒液（Betadine）</td><td>Medline Industries, LP</td><td>MDS093906</td><td>无菌组织采集</td></tr><tr><td>生物安全柜</td><td>Labconco</td><td>Purifier Logic+ II级A2型生物安全柜</td><td>无菌组织采集</td></tr><tr><td>活检穿孔器</td><td>Steritool 公司</td><td>50162</td><td>组织采集</td></tr><tr><td>美工刀</td><td>American Safety Razor Company</td><td>94-120-71</td><td>组织收获</td></tr><tr><td>圆形丙烯酸-硅胶柱（滑膜）</td><td>定制</td><td></td><td>组织封片</td></tr><tr><td>培养基</td><td>定制</td><td></td><td>DMEM（货号：11-965-118；Gibco）添加50 &amp;mu;微克/毫升 L-脯氨酸（货号：P5607；Sigma），100 &amp;mu;g/mL 丙酮酸钠（货号：S8636；Sigma），1% ITS（货号：354350；Corning），以及 1% 抗生素&amp;ndash;抗真菌剂（货号：15-240-062，Gibco）</td></tr><tr><td>氰基丙烯酸酯（Loctite 420 Clear）</td><td>亨克尔</td><td>135455</td><td>组织封片</td></tr><tr><td>砝码</td><td>OHAUS</td><td></td><td>正常载荷</td></tr><tr><td>乙醇 200 proof</td><td>Decon Labs, Inc.</td><td>2701</td><td>稀释至70%</td></tr><tr><td>固定基座</td><td>ThorLabs, Inc.</td><td>SB1T</td><td>摩擦测试仪组件</td></tr><tr><td>镊子（滑膜采集）</td><td>Fine Science Tools</td><td>11019-12</td><td>组织采集</td></tr><tr><td>镊子（滑膜固定）</td><td>Excelta</td><td>3C-S-PI</td><td>组织封片</td></tr><tr><td>水平线性编码器（用于平移台）</td><td>RSF Electronics, Inc.</td><td>MSA 670.63</td><td>摩擦测试仪组件；系统分辨率为1 &amp;micro;m</td></tr><tr><td>热熔胶枪和胶棒</td><td>FPC Corporation</td><td>Surebonder Pro 4000A</td><td>组织封片</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>美国国家仪器公司</td><td>LabVIEW&amp;nbsp; 2010</td><td>摩擦测试程序</td></tr><tr><td>加载细胞</td><td>JR3 公司</td><td>20E12A-M25B</td><td>摩擦测试仪组件；x方向分辨率为0.0019 lbs&amp;amp;y，z轴分辨率为0.0038磅</td></tr><tr><td>加载压板</td><td>定制</td><td></td><td>组织封片</td></tr><tr><td>O形圈</td><td>Parker</td><td>S1138AS568-009</td><td>组织封片</td></tr><tr><td>培养皿（60 mm）</td><td>Falcon</td><td>351007</td><td>组织封片</td></tr><tr><td>PivotLok 工作定位器（胫骨固定器）</td><td>行业仓库，Pivot Lok</td><td>PL325</td><td>组织采集</td></tr><tr><td>可拆卸底座</td><td>ThorLabs, Inc.</td><td>SB1B</td><td>摩擦测试仪组件</td></tr><tr><td>铁架台</td><td></td><td></td><td>组织采集</td></tr><tr><td>手术刀片</td><td>Havel's Inc.</td><td>FSC22</td><td>组织采集</td></tr><tr><td>手术刀柄</td><td>FEATHER 安全剃须刀有限公司</td><td>4号</td><td>组织采集</td></tr><tr><td>螺丝刀</td><td>Wera</td><td>3334</td><td>组织采集</td></tr><tr><td>阶段</td><td>JMAR</td><td></td><td>摩擦测试仪组件</td></tr><tr><td>步进电机</td><td>Oriental Motor Co., Ltd.</td><td>PK266-03B</td><td>摩擦测试仪组件</td></tr><tr><td>吸液工具</td><td>Virtual Industries, Inc.</td><td>PEN-VAC 真空笔</td><td>组织封片</td></tr><tr><td>支撑杆</td><td>定制</td><td></td><td>组织封片</td></tr><tr><td>手术剪</td><td>Fine Science Tools</td><td>14061-09</td><td>组织封片</td></tr><tr><td>关节滑液（牛）</td><td>Animal Technologies, Inc.</td><td></td><td>摩擦测试浴槽</td></tr><tr><td>测试浴液</td><td>定制</td><td></td><td>含蛋白酶抑制剂的磷酸盐缓冲液（PBS）：0.04% 异噻唑啉酮类杀菌剂（Proclin 950 货号 46878-U；Sigma）和 0.1% 蛋白酶抑制剂 — 0.05 M 乙二胺四乙酸，EDTA（货号 0369；Sigma）</td></tr><tr><td>组织培养箱</td><td>Fisher Scientific</td><td>Isotemp</td><td>无菌培养</td></tr><tr><td>垂直线性编码器（用于加载平台）</td><td>雷尼绍</td><td>T1031-30A</td><td>摩擦测试仪组件；20 nm 分辨率</td></tr><tr><td>音圈电机</td><td>H2W Technologies</td><td>NCC20-15-027-1RC</td><td>摩擦测试仪组件</td></tr></tbody></table>

用于研究滑膜关节生物力学、力学生物学及物理调控的摩擦测试-生物反应装置

A Friction Testing-Bioreactor Device for Study of Synovial Joint Biomechanics, Mechanobiology, and Physical Regulation

在原发性骨关节炎（OA）中，与衰老相关的正常“磨损”会抑制软骨维持其承重和润滑功能的能力，从而形成有害的物理环境。关节软骨与滑膜之间的摩擦相互作用可能通过组织层面的磨损和细胞力学转导影响关节稳态。为了研究这些力学与力学生物学过程，本文介绍了一种能够模拟关节运动的装置。该摩擦测试装置可控制向两个接触的生物对偶表面施加往复平移运动和法向载荷。本研究采用滑膜-软骨配置，展示了在磷酸盐缓冲盐水（PBS）或滑液（SF）环境中测得的摩擦系数。实验在不同接触应力条件下进行，凸显了滑液在高载荷下的润滑特性。该摩擦测试装置可用作仿生生物反应器，用于研究活动性关节运动所施加的生理载荷下，活体关节组织的物理调控机制。

采用滑膜-软骨接触构型对幼牛软骨样本进行摩擦测试。将滑膜固定在直径为10 mm的丙烯酸加载压头上，使其内膜层与下方的软骨接触。胫骨条作为软骨对磨面（图6A）。胫骨条切割成约1.4 mm深、10 mm × 30 mm大小。样本在磷酸盐缓冲液（PBS）或牛滑液（SF）浴中37 °C条件下测试1小时。SF浴由等体积的PBS和牛滑液混合而成。平台加速度为100 mm/s2，平台速度为1 mm/s，平台移动距离为2.5 mm6,9,42。通过砝码施加不同的法向载荷，产生180、230和300 kPa的接触应力11,43。
一小时后，卸去载荷，测定摩擦系数。有效摩擦系数 μ 由平均值计算得出 <...

本实验方案描述了一种摩擦测试装置，该装置可对两个接触的生物对偶表面同时施加往复滑动和法向载荷。

在原发性骨关节炎（OA）中，与衰老相关的正常“磨损”会抑制软骨维持其承重和润滑功能的能力……

传统上，我们使用该测试仪研究非活体组织以计算摩擦系数，但现在我们正在显著扩展测试仪的功能，用于测试活体组织并评估生物相互作用。摩擦测试装置可向活体组织外植片的接触表面施加往复平移运动和压缩载荷。该装置具有模块化设计，可适用于多种生物对磨面的测试。该方法可揭示摩擦力如何影响活体软骨和滑膜的力学及力学生物学响应，从而为维护关节健康提供新的策略。首先获取幼牛滑膜组织。使用手术刀片勾勒出目标滑膜区域的轮廓。使用镊子夹住滑膜的一端，轻轻提起，使滑膜远离其下方的骨骼并拉伸。用手术刀片将滑膜从骨面剥离，并将组织置于适当的培养基或检测浴液中。随后，通过将胫骨固定在可调节的夹具中，采集幼牛软骨。小心移除半月板，避免接触软骨表面。在胫骨平台的外缘，使用美工刀垂直于软骨向骨质方向切割。完全切透软骨，以形成整齐的边缘或侧面。去除多余组织。在边缘处，使用美工刀在骨与软骨交界处进行整齐切割。为将胫骨条从平台表面分离，可将一字螺丝刀轻轻插入切口下方，并轻轻旋转，以使关节软骨与软骨下骨松解。随着样本逐渐松动，缓慢向前推进螺丝刀，直至软骨条从骨头上脱离。确保将螺丝刀朝向骨头推进，而不是朝向软骨。使用美工刀切割胫骨平台表面，以获得所需尺寸和厚度的矩形样本。将组织置于合适的培养基或测试浴液中。如果使用胫骨条作为下部对磨面，则取下可拆卸的磁性底座，并将一个直径为60毫米的培养皿粘附到可拆卸底座的上表面。待培养皿粘牢后，将可拆卸底座固定到固定底座上，并在培养皿上标记滑动方向。在培养皿中心涂抹少量氰基丙烯酸盐。将胫骨条与载物台的滑动方向对齐。轻轻将软骨条按压到培养皿上。将可移动的磁性底座重新安装到摩擦测试仪中配对的固定底座上。用所需的测试浴液填充培养皿。如果使用滑膜作为上部对磨面，则从摩擦测试仪上取下加载压板和支撑杆。将滑膜置于圆形底板上。为固定滑膜，将其边缘套入一个O形环。用镊子轻轻牵拉滑膜，使组织在O形环下方绷紧并展平。使用手术剪修剪多余的组织。将加载压盘和支撑杆重新安装到摩擦测试仪上。调节加载压盘的垂直高度，使滑膜位于底部对磨面之上并浸没于测试浴液中。将安装好的样品插入摩擦测试仪设备中。打开模拟数据采集系统 MF DAQ。在程序中初始化载荷 PID 和触发动态调用窗口。运行模拟数据构建 MF DAQ，并通过点击“运行”按钮初始化加载 PID 窗口。在触发动态调用器窗口中，切换到“步进”选项卡。在用户输入框中设置平移台的加速度、速度和距离。要输入测试时长，请点击时间状态表右下角的“打开文件夹”按钮，并选择步进时间索引文件路径。然后在音圈标签页中再次指定测试时长。通过点击时间状态表右下角的“打开文件夹”按钮，选择音圈索引文件路径并选中该文件。无论是否使用音圈，都必须执行此步骤。施加正常载荷。如果使用砝码，请将所需重量放置在加载平台上方的直线轴承上。确保施加的载荷加上加载压头和支持杆的重量不超过载荷传感器的额定容量。使用“保存到文件”框右侧的“打开文件夹”按钮选择数据存储路径和文件名。将文件保存为 txt 扩展名。将底部位对准装置置于顶部位对准装置正下方，并将其设为零位 X 位置。为此，请通过点击运行按钮启动触发动态调用窗口。在步进器选项卡中，点击“归零”按钮，以将载物台移至上次保存的零位 X 位置。如果对界面未对齐，请通过点击绿色的左箭头和右箭头按钮来移动载物台。当到达所需位置时，点击零位按钮，将当前载物台位置保存为新的零位X位置。通过点击停止按钮，关闭触发动态调用窗口。当上下对磨面居中后，通过启动载物台的往复运动，开始对样品进行摩擦测试。载物台开始移动后，缓慢将上对磨面与下对磨面接触。让测试持续运行，采集摩擦测试数据。在完成所需的测试时间后，按下“停止”按钮，通过提升上部对磨面并将其移出与下部对磨面的接触状态来卸载试样。使用自定义代码计算摩擦系数及每个循环的滞后量。确保将所有相关文件保存在同一个文件夹中。打开 Friction Cycle run.m 文件，然后点击脚本中的运行按钮。选择要分析的原始数据文件及所需的保存位置。摩擦系数和滞后曲线图将由 MATLAB 输出。摩擦测试采用滑膜-软骨构型对幼牛关节组织样本进行，其中将滑膜固定在直径为 10 毫米的丙烯酸加载压头上，使滑膜的内膜层与下方软骨接触。采用胫骨条作为软骨对磨面。通过计算每个往复循环中摩擦力FT与法向力FN比值的平均值，得到有效摩擦系数，然后将其对测试时间作图，获得摩擦系数-时间曲线。对于每次测试，摩擦系数值取整个测试过程的平均值。在 PBS 测试浴液中，平均摩擦系数随接触应力的增加而升高。相反，在牛滑液浴液中，平均摩擦系数在接触应力增加时基本保持不变。请记住，在使表面接触之前，先开始采集载荷数据。这确保了能够准确计算去皮重量。可在测试前后评估组织和润滑浴液成分，以分析特定实验方案所引起的生物学变化。

a-friction-testing-bioreactor-device-for-study-synovial-joint

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

一种摩擦试验-用于研究滑膜关节生物力学、机械生物学和物理调节的生物反应器装置

已设计出一种循环压力生物反应器，可对心脏瓣膜组织施加生理和病理条件下的压力。LabVIEW...

设计一种用于循环压力生物反应器的装置 离体 主动脉心脏瓣膜的研究

我们设计了一种新型机械负荷生物反应器，可在将软骨生物复合材料移植到关节软骨缺损部位之前，对其施加单轴或双轴机械应变。...

用于组织工程的双轴机械加载生物反应器设计

本文介绍了一种新型拉伸平台，可用于研究单个细胞对复杂各向异性双轴机械变形的响应，并量化生物组织的力学特性。...

一种用于细胞与组织力学生物学研究的新型拉伸平台

刚度在千帕范围内的基底可用于研究细胞对生理相关微环境刚度的响应。仅使用宽场荧光显微镜，即可通过使用合适微球进行压痕实验来测定软硅胶的杨氏模量。...

使用宽场荧光显微镜测量用于力学生物学研究的软硅胶基底的刚度

本文介绍了一种纯单轴加载装置的构建方案。通过采用关键的设计要素，确保获得准确且可重复的测试结果。...

单轴加载机器开发中的设计要素应用

本方案描述了利用定制的3D打印夹具对小鼠肌腱进行高效且可重复的拉伸生物力学测试方法。...

小鼠肌腱的生物力学测试

关节镜手术中的探查通常用于评估软组织的状况，但这种方法一直具有主观性和定性特点。本报告介绍了一种探查装置，可在关节镜手术期间利用三轴力传感器对软组织的阻力进行定量测量。...

一种用于关节镜手术中定量测量软组织力学特性的探针装置

本方案描述了与金属植入材料对磨的骨软骨圆柱体的制备、生物摩擦学测试及分析方法。本方案包含的评估指标有代谢活性、基因表达和组织学分析。...

用于植入物的金属与关节软骨对磨的生物摩擦学测试与分析

本实验方案的目标是在管状电纺支架中建立人巨噬细胞与肌成纤维细胞的动态共培养体系，利用可分离剪切应力与周期性拉伸的生物反应器，研究材料驱动的组织再生过程。...

一种多信号生物反应器，用于在流动和拉伸条件下评估生物材料的炎症反应与再生能力

我们提供了从人源间充质干细胞生成四种组织的详细方法，这些组织用于模拟人类膝关节中的软骨、骨、脂肪垫和滑膜。这四种组织被整合到一个定制的生物反应器中，并通过微流控系统相互连接，从而构建出膝关节芯片。...

创建用于模拟关节疾病与药物测试的膝关节芯片模型

一种使用关节滑膜炎的临床前模型 离体 具有保留功能与结构的人类滑膜组织

了解用于滑膜关节生物力学研究的摩擦试验装置，该模块化生物反应器可对活体软骨和滑膜组织施加往复滑动与压缩载荷，评估摩擦相互作用及机械生物学响应，为关节健康维护提供新策略。

用于研究滑膜关节生物力学、力学生物学及物理调控的摩擦测试-生物反应装置

探索更多视频